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人为什么没有尾巴:人类无尾巴的原因包括基因变化、胚胎发育、进化优势等

时间:2024-09-30 10:00:48阅读:

一、人类没有尾巴的原因

在人类及“类人猿”演化谱系中,尾巴的缺失是最显著的解剖学变化之一。约在2500万年前,无尾猿已开始出现在化石记录中。从胚胎发育角度来看,人类在胚胎时期是有尾巴的,长度能达到身体的六分之一,在怀孕30多天的时候极为明显,但一般怀孕3个月左右,这个小尾巴会消失。这一过程可视作人类进化过程的重演,胎儿的小尾巴逐渐被身体所吸收,负责尾巴生长的基因关闭,尾巴部分逐渐长成尾椎骨。有些婴儿出生时会有尾巴,这属于返祖现象,不过这个尾巴一般没有尾椎骨,是个肉条,但里面有完整的血管和神经。

从基因层面看,2024年的研究发现,在人类祖先基因组中Alu元件插入到TBXT基因的内含子中可能是导致进化过程中尾巴缺失的原因。TBXT编码一个高度保守的转录因子,对于中胚层和内胚层形成至关重要,在小鼠、猫、狗、斑马鱼中,其编码区的杂合突变会导致尾巴变短或缺失,而纯合突变通常是致死的。Alu元件插入后,在转录时该Alu元件可能与附近的另一个反向的Alu元件配对,导致可变剪接事件,形成人科动物特有的亚型TBXT∆exon6,当TBXT∆exon6转录本水平超过一定阈值时就可以抑制尾巴发育。

二、人类进化中尾巴消失的机制

研究人员为了找到与人类失去尾巴相关的遗传变体,首先筛选了31个突变与尾巴缺失相关的人类基因及其灵长目同源基因,由于无法找到编码区的单核苷酸变体(SNV),他们进一步拓展基因范围并尝试寻找基因上下游区域,但仍没能找到可能直接导致尾巴消失的SNV,然后检测了这些与尾巴发育相关的人科特异的非编码变体。发现在TBXT基因的第6个内含子中有一个Alu元件,该元件是人科特有的,属于AluY亚家族,是人科和旧大陆猴共有的,相对年轻,并且推测的Alu插入时间与早期类人猿失去尾巴的进化阶段相符。

在所有猴类和猿类中,TBXT基因的内含子中还有一个反向的AluSx1元件,这两个元件形成的包围外显子的反向重复序列在转录过程中会形成茎环结构,导致跳过中间的这个外显子,形成人科动物特有的亚型TBXT∆exon6。通过在小鼠上进行模拟和再现实验,利用CRISPR - Cas9在人类胚胎干细胞系中分别敲除AluY元件和AluSx1元件,发现敲除AluY几乎完全抑制了TBXT∆exon6的产生,敲除AluSx1也足以抑制TBXT∆exon6的产生。并且发现TBXT∆exon6与全长Tbxt转录本的相对水平很关键,当二者相对水平达到一定程度时,就会抑制尾巴发育,从而导致尾巴在人类进化过程中逐渐消失。

三、尾巴对动物的作用与人的差异

(一)尾巴对动物的作用

平衡作用

对于很多动物来说,尾巴是保持平衡的重要器官。例如猫,在跑跳时能依靠尾巴保持平衡,还能在肚皮朝天、四脚朝上往下落时翻过身来,四脚先着地,不至于摔伤。袋鼠无论是跑还是跳,都靠两条后腿,不容易平衡,尾巴可以帮助它保持平衡。猴子、松鼠在树枝上跳跃时,尾巴也能使它们保持平衡,不会失足。马在奔驰时,尾巴同样起到很好的平衡作用。鸟类飞行时,尾巴上长着又长又宽的羽毛,展开时像扇子,能够灵活转动,便于掌握飞行方向,起着舵的作用。

保安作用

穿山甲的尾巴可以缠在树上,像保险带一样;鳄鱼的尾巴非常有力,像铁棍子一般结实,可当作武器来防御和进攻,一般的野兽如狮和豹都经不起它的一击。水里的河狸遇到危险时,会用尾巴拍水,发出“劈啪”的响声,向同伴报警。牛、马、驴、骡的尾巴用来驱赶讨厌的苍蝇、蚊虫和牛虻等。

支撑作用

啄木鸟在竖直的树干上站着啄食害虫时,尾巴支撑在树皮的裂隙中,从而能够站稳,不至于跌落,可以说尾巴是它的“第三条腿”。袋鼠休息时,尾巴支在地上,成了它的凳子。

保温作用

像松鼠、狐狸等长着毛茸茸粗尾巴的动物,在寒冷的时候,会把身体缩成一团,然后将大尾巴严严实实地围住身体,犹如围了一条大毛围巾,天气再冷也不会受冻。

定向和推进作用

鱼类等水生动物的尾巴,不仅可以作为舵来定向,而且还可以上下或左右摆动作为推进器使用。

示警作用

鹿的尾巴又小又短,然而它却是重要的报警器。当危险靠近鹿群时,首先发现敌害的鹿会竖起尾巴,露出下面的亮点,向同伴发出警报。美洲的响尾蛇尾巴有一条条角质的环纹,这些角质环纹膜围成了一个空腔,当其尾巴晃动时,在空腔内就有气流振动,发出声响,这声响是用来警告敌人和引诱小动物的一种捕食方法。

逃生作用

兔子的短尾巴可以在紧急情况下帮助兔子逃命。当兔子被猛兽咬住时,兔子立刻使用“脱皮计”,将尾巴的皮套脱下,从而赢得逃命的刹那间。蜥蜴和壁虎的尾巴,当遇到敌害时,会自动将尾巴折断留给敌人,尾巴里面有很多神经,还能蹦跳一段时间,起着转移敌害视线的作用,而自己却可以趁机逃之夭夭。

捕食作用

蝙蝠白天栖息在较暗的地方,晚上才出来捕捉昆虫。有些蝙蝠,它们的尾巴可以卷缩起来和它的后脚一起拼成成一个吊篮形,这样别的小昆虫就看不出它是蝙蝠了,它依靠这个“隐身秘法”,可以捉到很多昆虫吃。

攻击作用

狮、虎、豹的长尾巴是它们的战斗武器之一,在和其他动物搏斗时,只要一摆尾巴,就可以把对方打倒。蝎子的尾巴更厉害,尾端生有钩状而尖锐的毒刺。猎食时,它用脚抓住小动物,然后用尾刺毒杀。尾刺的毒性很强,对呼吸中枢有麻醉作用,对心脏和血管起收缩作用。

能量贮藏作用

狐猴把尾巴当作仓库。在食物丰富的雨季,狐猴就在尾巴里储存起大量营养;在食源缺乏的旱季,狐猴靠消耗尾巴里储备的营养度日。

(二)尾巴对人类的作用差异

人类在进化过程中逐渐失去了尾巴,现代人类的生活方式和身体结构使得尾巴不再具有上述动物尾巴的诸多功能。人类已经进化出了适应直立行走和复杂运动的身体结构,例如人类的重心通过身体结构的调整(如骨盆的形态、下肢的肌肉分布等)得以稳定,不需要尾巴来平衡。而且人类的双手可以完成各种复杂的动作,如抓握、操作工具等,不需要尾巴来辅助捕食、支撑或者防御。在社交和情感表达方面,人类也发展出了语言、面部表情和肢体语言等方式,而不是依靠尾巴来传达信息,这与动物利用尾巴表达情绪(如狗摇尾巴表示友好)有着本质的区别。

四、从生物学角度分析人无尾巴

从进化的角度看,人类属于灵长类动物,在进化历程中经历了许多适应性的改变。人类的祖先逐渐从树栖生活转变为更多地在地面活动,并且最终发展出了直立行走的能力。直立行走使得身体的重心发生了改变,人类的身体结构也进行了相应的调整,如骨盆变窄、下肢变长且粗壮等。在这种情况下,尾巴对于平衡身体的作用变得不再重要,反而可能成为一种累赘。

从基因角度分析,如前面提到的,Alu元件插入到TBXT基因的内含子中,导致基因可变剪接事件,形成特定的转录本,抑制了尾巴的发育。这种基因层面的改变是人类在进化过程中逐渐失去尾巴的内在生物学机制。从胚胎发育来看,人类胚胎期虽然有尾巴的雏形,但随着发育的进行,尾巴相关基因的表达被抑制,尾巴逐渐退化,最终只留下了尾椎骨这一痕迹器官,这也反映了在人类的生物学发育过程中,尾巴已经不再是必要的身体结构。

五、人尾巴消失的进化优势

适应直立行走

人类进化出直立行走的方式,这是人类进化历程中的一个重要特征。尾巴的消失可能直接或间接促进了人类直立行走。在直立行走时,身体的重心需要精确的控制和调整。如果有尾巴,可能会干扰身体重心的分布,影响行走的稳定性。没有尾巴,人类的身体结构能够更好地适应直立行走的力学要求,例如,人类的脊柱、骨盆和下肢能够协同工作,以保持身体的平衡和稳定,而不需要尾巴来进行额外的平衡调节。

减少能量消耗

尾巴的存在需要一定的能量来维持其生长、发育和日常活动(如摆动等)。在人类进化过程中,随着尾巴功能的逐渐丧失,不再需要为尾巴的生长和运动提供能量,这有助于节省能量。能量的节省对于人类的生存和繁衍具有重要意义,例如可以将更多的能量用于大脑的发育、身体的生长以及其他重要的生理功能。

降低受伤风险

尾巴在一些情况下可能容易受伤,例如在人类从事各种活动(如狩猎、采集、建造住所等)时,尾巴可能会被障碍物挂住、被其他动物攻击或者在摔倒时受到伤害。尾巴消失后,这种因尾巴受伤而带来的风险就不存在了,从而提高了人类在复杂环境中的生存能力。

促进身体结构的优化

尾巴的消失使得人类的身体结构更加简洁和优化。人类的身体能够更加集中地发展与直立行走、使用工具和大脑发育等相关的结构和功能。例如,人类的骨盆结构在没有尾巴的情况下能够更好地适应支撑内脏器官和承受身体重量的功能,同时也为胎儿的发育提供了更合适的空间。而且,没有尾巴也有利于人类身体的对称性发展,使得身体的运动更加协调和高效。

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